Система отслеживания взгляда

Система отслеживания взгляда (айтрекинг, от англ. eye tracking) — это технология, позволяющая определять направление взгляда человека (точку фиксации взора) и движение глаз относительно головы или окружающей среды. Системы отслеживания взгляда относятся к классу биометрических устройств и используются для анализа зрительного внимания, управления интерфейсами, в научных исследованиях, медицине, маркетинге и военных технологиях.

Принцип работы

Основой работы большинства современных систем является метод видеокулографии (VOG). Он заключается в записи движений глаз с помощью одной или нескольких видеокамер и последующей обработке изображения для определения положения зрачка и роговичного блика (отражения инфракрасного источника света).

Методы регистрации

1. Инфракрасная окулография. Наиболее распространённый метод. Глаз подсвечивается инфракрасными светодиодами (обычно длиной волны 850–940 нм), невидимыми для человека. Камера фиксирует отражение от роговицы (первый Пуркинье) и положение зрачка. Разница между этими двумя точками позволяет вычислить направление взгляда с высокой точностью (до 0,5–1 градуса угла).
2. Электроокулография (ЭОГ). Измерение разности потенциалов между роговицей и сетчаткой с помощью электродов, наклеиваемых вокруг глаз. Метод менее точен, но позволяет регистрировать движения глаз в полной темноте и при закрытых веках. Используется в медицине (например, для диагностики нистагма).
3. Пассивное видеоотслеживание. Анализ изображения глаз без дополнительной подсветки. Используется в веб-камерах и мобильных устройствах, но точность ниже, чем у инфракрасных систем.
4. Склеральные контактные линзы. Специальные линзы с встроенными катушками или зеркалами. Обеспечивают наибольшую точность (до 0,1 градуса), но требуют инвазивного контакта с глазом. Применяются в лабораторных исследованиях.

Алгоритмы обработки

После получения изображения система определяет центр зрачка и центр роговичного блика. На основе калибровки (пользователь смотрит на ряд известных точек на экране) строится математическая модель, связывающая координаты этих точек на изображении с точкой взгляда на поверхности. Современные алгоритмы, в том числе на основе нейронных сетей, позволяют компенсировать движения головы, моргания и частичное перекрытие глаза.

Классификация систем

По способу установки и взаимодействия с пользователем системы отслеживания взгляда делятся на несколько типов.

Стационарные (дистанционные)

Устанавливаются перед пользователем, обычно под монитором или на столе. Пользователь не контактирует с устройством. Характеризуются большим рабочим диапазоном (до 70–90 см от глаз) и возможностью отслеживания нескольких человек одновременно. Примеры: Tobii Pro Spectrum, EyeLink 1000 Plus.

Наголовные (мобильные)

Крепятся на голову пользователя в виде очков или шлема. Включают в себя камеру для записи поля зрения (сцены) и камеры для отслеживания глаз. Позволяют изучать поведение в реальных условиях (вождение автомобиля, спортивные тренировки, shopping). Примеры: Tobii Pro Glasses 3, Pupil Labs Invisible.

Встраиваемые

Интегрируются непосредственно в устройства (ноутбуки, мониторы, VR-шлемы). В виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) системы отслеживания взгляда используются для фовеального рендеринга (повышения качества изображения в области, куда смотрит пользователь, и снижения нагрузки на GPU), а также для управления интерфейсом. Примеры: HTC Vive Pro Eye, Apple Vision Pro.

История

Первые попытки отслеживания движений глаз относятся к концу XIX века. В 1879 году французский офтальмолог Луи Эмиль Жаваль заметил, что при чтении глаза совершают не плавные движения, а серию быстрых скачков (саккад) и остановок (фиксаций). В 1901 году американский психолог Рэймонд Додж разработал первый фотографический метод регистрации движений глаз.

В 1950-х годах Альфред Ярбус (СССР) создал устройство для записи движений глаз с помощью присоски с зеркальцем, закреплённой на роговице. Его работа «Роль движений глаз в процессе зрения» (1965) стала классической.

В 1970–1980-х годах с развитием видеотехники и компьютеров появились первые системы видеокулографии. В 1990-х годах шведская компания Tobii (основана в 2001 году) начала коммерциализацию технологии, выпустив первые стационарные айтрекеры для научных исследований.

В 2010-х годах технология стала массово применяться в потребительских устройствах (например, в ноутбуках Dell с поддержкой Tobii Eye Tracking). В 2020-х годах отслеживание взгляда стало стандартной функцией в гарнитурах виртуальной реальности и в некоторых моделях смартфонов.

Применение

Научные исследования

• Психология и нейронауки. Изучение когнитивных процессов (внимание, память, принятие решений), восприятия лиц и сцен, чтения.
• Маркетинг и реклама. Анализ того, на какие элементы упаковки, баннера или веб-страницы пользователь обращает внимание в первую очередь. Используется для оптимизации дизайна.
• Психолингвистика. Исследование процессов чтения, понимания текста, обработки синтаксиса.

Медицина

• Диагностика. Выявление нарушений движений глаз при болезни Паркинсона, шизофрении, аутизме, черепно-мозговых травмах.
• Реабилитация. Системы управления компьютером взглядом для людей с тяжёлыми двигательными нарушениями (боковой амиотрофический склероз, ДЦП, травмы спинного мозга). Позволяют набирать текст, управлять инвалидной коляской, общаться с помощью синтезатора речи.
• Офтальмология. Оценка полей зрения, диагностика косоглазия, подбор контактных линз.

Человеко-машинное взаимодействие

• Управление интерфейсом. Взгляд используется для наведения курсора, выбора объектов, прокрутки страниц. В сочетании с нажатием клавиши или жестом позволяет реализовать «бесконтактное» управление.
• Игры и развлечения. В некоторых играх взгляд используется для прицеливания, управления камерой, взаимодействия с NPC.
• Автомобильная промышленность. Отслеживание усталости и отвлечения внимания водителя. Системы предупреждения о потере концентрации (например, Driver Monitoring System в автомобилях Tesla и Mercedes-Benz).

Военные и авиационные технологии

• Прицеливание. В истребителях (например, F-35, Су-57) и вертолётах (AH-64 Apache) пилот может наводить оружие взглядом, что сокращает время реакции.
• Управление кабиной. Взгляд используется для активации дисплеев и переключения режимов, снижая нагрузку на руки.

Точность и ограничения

Точность систем отслеживания взгляда зависит от многих факторов: качества калибровки, освещения, формы глаз пользователя, наличия очков или контактных линз, а также от движения головы. Типичная точность стационарных систем составляет 0,5–1 градус угла (что соответствует 1–2 см на расстоянии 60 см от экрана). Наголовные системы менее точны (1–2 градуса).

Основные ограничения:

• Проблема «горячего глаза» — ухудшение точности при длительной работе из-за высыхания роговицы.
• Влияние анатомии — у людей с узкими глазами, азиатским типом век или сильным астигматизмом точность может быть ниже.
• Калибровка — требует активного участия пользователя и может быть затруднена для людей с нарушениями зрения или двигательными расстройствами.
• Конфиденциальность — данные о направлении взгляда могут раскрывать личную информацию (интересы, состояние здоровья, намерения). В ряде стран (например, в ЕС) сбор таких данных регулируется законами о защите персональных данных (GDPR).

Перспективы развития

Основные направления развития технологии включают:

• Повышение точности и скорости за счёт использования более мощных камер и алгоритмов машинного обучения.
• Интеграция в носимые устройства (умные очки, контактные линзы).
• Разработка методов калибровки без участия пользователя (самокалибровка).
• Сочетание с другими биометрическими модальностями (ЭЭГ, ЭКГ, анализ мимики) для создания комплексных систем оценки состояния человека.
• Применение в системах искусственного интеллекта для обучения роботов и ассистентов пониманию человеческого внимания.

Источники

1. Duchowski, A. T. (2017). Eye Tracking Methodology: Theory and Practice. Springer.
2. Holmqvist, K., Nyström, M., Andersson, R., Dewhurst, R., Jarodzka, H., & Van de Weijer, J. (2011). Eye Tracking: A Comprehensive Guide to Methods and Measures. Oxford University Press.
3. Ярбус, А. Л. (1965). Роль движений глаз в процессе зрения. Наука.
4. Tobii Pro. (2023). What is Eye Tracking? — техническая документация.
5. National Institutes of Health (NIH). (2022). Eye Tracking in Clinical Research and Practice.